沂沭泗水政執法遙感動態監測研究

楊殿亮，張煜煜，何厚軍，陳 亮

(1.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221009；2.黃河水利委員會信息中心，河南 鄭州 450004)

河湖水系是水資源的重要載體，也是水資源短缺、水生態損害、水環境污染等新老水問題體現最為集中的區域。2016和2017年我國先后印發了《關于全面推行河長制的意見》《關于在湖泊實施湖長制的指導意見》，為解決我國新老水問題、加強河湖管理、改善河湖生態提供了制度保障。水利部積極踐行“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水方針，加強行業監管，推進水利高質量發展，是新形勢下賦予水利工作的歷史使命，推動水利行業監管從“整體弱”到“全面強”，實現對水利工作的全鏈條監管、涉水行為的全方位監管，集中力量重點對江河湖泊、水資源、水利工程、水土保持、水利資金、行政事務等領域進行監管。

沂沭泗水政監察總隊作為淮河水利委員會沂沭泗水利管理局直管區域(簡稱“沂沭泗直管區”)水行政執法和管理的主體，依據《水政監察工作章程》(水利部第20號令)，代表流域機構對公民、法人或者其他組織遵守、執行水法規的情況進行監督檢查，對違反水法規的行為依法實施行政處罰，開展流域內的水行政執法工作，在保護水資源、水工程、防汛抗旱與水文監測環境和設施等方面發揮著重要的作用[1]。

沂沭泗水利管理局水政監察機構由1個水政監察總隊、3個水政監察支隊、19個水政監察大隊和15個水政監察中隊組成，現有專(兼)職水政監察人員共計396名，監督管理961km的直管河道、1729km的堤防、1537km2的湖泊水域。沂沭泗直管河道分布范圍廣、岸線長、工況復雜，管理人員少、任務重、難度大。目前，沂沭泗直管河道水政執法仍以傳統的人工沿河巡查為主的方式掌握水事活動情況，由于執法支撐信息少、信息獲取手段落后，存在發現問題不及時、監管成本高、持續跟蹤難度大等問題。亟需采用有效的監測手段，動態掌握河道管理范圍內水事活動情況。

遙感技術具有快速、有效、實時、范圍廣等特點，不僅可以動態監督水利工程建設，還可以監測水情、災情、水土流失、河湖管理等問題[2-7]。一些學者利用遙感技術開展了流域水政執法應用探索研究，李春雷等[8]利用高分辨率遙感影像開展了河湖“清四亂”應用方法，唐慶忠等[9]對珠江水政監察遙感信息系統的框架設計進行了詳細介紹和討論，申邵洪等[10]研發了基于多時相高分辨率遙感影像的長江流域水政監察系統，齊予海等[11]利用航空遙感技術進行黃河下游河道水政執法監測應用并開發了水政執法遙感信息系統。但是，不同流域受地形、資源等自然因素和人類開發建設等人為因素多重影響，河道監管重點關注內容存在差異，河道監測對象不同，利用遙感技術手段進行河道監測各具獨特性。本文針對沂沭泗直管區河道監測對象特點，利用航空遙感、國產衛星遙感等技術進行水政執法本底和對比監測，研究建立流域水政執法遙感動態監測方法，提升沂沭泗水利管理局對直管區水事活動的監管能力，為水政監察執法提供依據[12]。

1 研究區

沂沭泗水系是沂、沭、泗(運)3條水系的總稱，位于淮河流域東北部。流域范圍北起沂蒙山，東臨黃海，西至黃河右堤，南以廢黃河與淮河水系為界。流域面積7.96萬km2，地跨江蘇、山東、河南、安徽4省15地(市)。流域氣候溫和，土地遼闊，資源豐富，是我國工農業重點發展地區之一。流域內陸路、水運交通發達，公路、鐵路交通網密布，京杭大運河縱貫南北。

選取沂沭泗直管區為研究區，涉及沂河(跋山水庫-駱馬湖口)、祊河(姜莊湖攔河壩-入沂河口)、邳蒼分洪道(江風口閘-中運河)、分沂入沭(彭道口閘-入老沭河口)、沭河(青峰嶺水庫-口頭)、新沭河、南四湖、韓莊運河及中運河、駱馬湖及新沂河(嶂山閘-入?？?河道[13]，如圖1所示。其中，河道長度961km，湖泊面積1537km2。研究區所處地區經濟發達，河道內水事活動頻發，是沂沭泗水利管理局水政監察的重點區域。

圖1 研究區域

2 水政遙感監測

2.1 監測流程

沂沭泗水政執法遙感動態監測在收集研究區相關資料的基礎上，采用航空手段采集研究區0.5m空間分辨率高清遙感影像并進行數據處理，通過深入理解各監測對象的業務特征、圖像特征和地理特征建立解譯標志，對河道監測對象進行全面、詳細地解譯調查，獲取河道監測對象本底監測成果。在本底遙感監測成果基礎上，采集優于2m空間分辨率的衛星遙感影像進行數據處理，對比分析衛星遙感影像與本底或歷史遙感影像河道監測對象變化情況，解譯獲取水事活動變化監測成果。水政監察人員根據遙感監測結果，進行河道水政執法。技術流程如圖2所示。

圖2 沂沭泗水政執法遙感動態監測技術流程

2.2 遙感影像采集與處理

遙感影像采集與處理包括航空遙感影像采集與處理和衛星遙感影像采集與處理。航空遙感影像具有空間分辨率高、大范圍成像、時相一致性好、機動性強等特點，但是數據采集成本相對較高，主要用于河道本底信息全面調查。衛星遙感影像具有覆蓋范圍廣、重復覆蓋便捷、成本低廉等特點，主要用于河道動態對比監測。

2.2.1航空遙感影像采集與處理

航空遙感影像采集與處理包括航空攝影、外業像控測量、空三加密和數字正射影像(DOM)制作等處理，最終形成研究區0.5m空間分辨率航空正射影像。

本研究航空攝影利用大棕熊Kodiak 100型飛機搭載UCXp-WA數字航攝儀配備POS AV510輔助航攝系統進行拍攝。根據整個攝區的地形特點、航攝儀飛行要求、成像精度要求等，進行航線設計，飛行相對航高5500m，共飛行航線24條。航空攝影時間為2018年10月1—3日。

外業像控測量采用平高區域網布設，像控點采用CORS系統網絡RTK方式測量，本次像控點測量利用山東省和江蘇省連續運行參考站系統，像控制點對最近基礎控制點的平面位置中誤差為±0.3m，高程中誤差為±0.08m。

空三加密采用PHOTOMOD數字攝影測量軟件，對具有POS輔助數據的數碼影像進行自動匹配影像生成高精度連接點；對于點位不足的區域人工添加連接點，在像片上量測外業控制點；最后采用光束法區域網平差，剔除粗差點，獲取高精度空中三角測量成果，為建立測區模型及內業數據采集提供準確的數學基礎。

數字正射影像制作首先結合合空三加密成果和生成的數字高程模型(DEM)，采用PHOTOMOD數字攝影測量軟件的數字微分糾正模塊，按地面分辨率0.5m對原始影像進行嚴格正射糾正，生成相對應的單張正射影像；其次，基于INPHO數字攝影測量軟件，采用整體接邊、一次成圖的方法，對整個區域單張數字正射影像進行鑲嵌，同時完成整體勻光勻色、幾何接邊和色彩過渡等工作；最后，根據成圖分幅要求，將數字正射影像進行裁剪分幅處理。

2.2.2衛星遙感影像采集與處理

隨著國產高分辨率衛星遙感技術快速發展，數據資源日益豐富，多顆衛星協同監測基本可達到每月大范圍重復覆蓋一次到數次的需求。本研究對比遙感監測采用優于2m空間分辨率的衛星遙感影像，包括高分一號、高分一號02星、高分一號03星、高分一號04星、高分二號、高分六號等，影像時間為2019年5—9月。衛星遙感影像選取晴空少云且河道監測范圍內無云覆蓋的遙感影像。

衛星遙感影像處理主要包括正射校正、圖像融合、圖像增強、鑲嵌裁剪等。首先，以航空本底遙感影像為參考影像，結合研究區數字高程模型對采集的衛星遙感影像全色和多光譜數據分別進行正射校正；其次，采用Pansharpen融合方法對全色和多光譜數據進行融合處理，得到2米多光譜融合影像；再次，采用指數計算、直方圖匹配、圖像拉伸等方法進行圖像增強，提高監測對象解譯精度；最后，根據研究區范圍，對遙感影像進行鑲嵌與裁剪處理。

2.3 其他資料準備

本研究收集了研究區地形圖、水利工程專題地圖、水行政審批許可、其他資料等，主要用于輔助遙感影像處理和解譯。

2.4 監測對象解譯標志建立

根據研究區水政業務需要進行監測對象劃分，主要包括圈圩、文體旅游、光伏電廠、碼頭、造船廠、房屋、采砂、魚塘、養殖場、蘆葦、片林等。結合河道水政執法業務，綜合考慮相應的圖像特征、地理特征、業務特征等要素，建立河道水政執法遙感解譯標志。圖像特征主要包括監測對象本身的有關屬性在遙感影像上的直接標志和間接標志，包括形狀、大小、色調、陰影、紋理等[14]。地理特征主要包括監測對象在地形地貌的空間分布特征。業務特征主要從監測對象的類型、地物組成和整體性來考慮。本研究建立的部分監測對象典型解譯標志見表1。

表1 部分監測對象典型解譯標志

2.5 本底遙感監測

利用0.5m空間分辨率航空正射影像，結合水行政審批許可和其他相關資料，根據河道監測對象解譯標志，遵循“先宏觀后微觀、由已知到未知、先易后難、由大到小”的原則，采用人工目視解譯的方法對研究區內河道監測對象進行遙感影像特征分析，勾繪疑似監測對象圖斑邊界，設置地理位置、中心經度、中心緯度、面積、周長、所屬管理單位、河(湖)長等屬性字段并進行賦值，得到初步解譯成果。借助無人機、照相機、GNSS等現場取證設備，采用現場查勘等方式對疑似圖斑進行逐一查證和核實，修訂初步解譯圖斑生成監測對象本底監測成果，建立研究區河道監測對象本底數據庫，為對比遙感監測提供比對基礎數據。

2.6 對比遙感監測

在本底遙感監測成果的基礎上，利用優于2m空間分辨率的衛星遙感影像進行沂沭泗直管區河道監測對象對比遙感監測。

對比遙感監測采用計算機自動搜索發現和人機交互分析識別相結合的方式進行變化圖斑發現。首先，計算機自動搜索發現基于面向對象技術和多源地物特征指數(水體指數、植被指數、建筑指數等)，對最新高分辨率衛星遙感影像和歷史高分辨率遙感影像進行遍歷變化分析，查找生成疑似變化區域圖斑，縮小人工解譯作業范圍。其次，通過采用人機交互分析識別的方式對最新高分辨率衛星遙感影像和本底數據或歷史遙感影像進行時相序列影像比對、解譯成果比對，進一步對計算機搜索識別出的疑似變化圖斑進行修訂，提高疑似變化圖斑的識別準確率。最后，采用現場查勘等方式對疑似變化圖斑進行查證和核實，修訂相關屬性，生成監測對象變化圖斑。通過對比遙感監測及時、動態跟蹤研究區監測對象新增、減少、擴大、縮小等變化，為河道水政執法立案查處落實情況、水行政執法公示、執法全過程記錄和執法可回溯管理等提供重要支撐。

3 結果與分析

根據本底和對比遙感監測結果，選取幾個典型案例進行遙感動態監測結果詳細對比，分析監測成效，如圖3—7所示。

圖3 南四湖某碼頭遙感動態監測

圖3為南四湖某碼頭遙感動態監測結果。2018年10月該碼頭還在運行中，碼頭上建有房屋等設施，?？苛舜罅窟\輸船只，碼頭幾乎堆滿了各種貨物，碼頭占地面積達222994m2，如圖3(a)所示；2019年7月，該處碼頭已經整改，附近河道內沒有?？亢瓦\輸往來船只，碼頭上原有房屋和堆放的貨物已經清除完畢，如圖3(b)所示。

圖4為沂河沂南河段某光伏電廠遙感動態監測結果。2018年10月，該光伏電廠還在正常運轉，光伏電板排列整齊，廠址居中位置還有房屋等配套設施，如圖4(a)所示；2019年6月，該光伏電廠的光伏電板和房屋等設施已被完全拆除，所占區域已經平整恢復為原貌，如圖4(b)所示。

圖4 沂河沂南河段某光伏電廠遙感動態監測

圖5為祊河某房屋遙感動態監測結果。2018年10月，該處房屋結構完整，可見周邊配套設施，院內停車場可見停放車輛，如圖5(a)所示；2019年6月，該房屋已經被整改拆除，拆除后原址上被防塵布遮蓋，如圖5(b)所示。

圖5 祊河某房屋遙感動態監測

圖6為沂河郯城河段某文體旅游項目遙感動態監測結果。該文體旅游項目為修建在河道堤防內灘區的馬術場，場內修建有大型跑道、看臺、馬棚、管理及游客休閑房屋等，如圖6(a)所示；2019年6月，該馬術場已完成整改清除，跑道已廢棄，看臺、馬棚、管理及游客休閑等房屋已經拆除，如圖6(b)所示。

圖6 沂河郯城河段某文體旅游項目遙感動態監測

圖7為南四湖某文體旅游項目遙感動態監測結果。2018年10月該處為南四湖湖泊內自然蘆葦灘地，如圖7(a)所示；2019年7月，該處灘地蘆葦等植被已被清理，土地進行了人為平整，疑似在建建設項目，如圖7(b)所示。通過實地核查，為一處動土違規在建的文體旅游項目，水政執法人員根據遙感監測結果及時對該處違規項目進行執法整改，停止了項目建設。

圖7 南四湖某文體旅游項目遙感動態監測

4 結論

本文綜合利用航空、衛星等遙感技術手段進行河道水政執法動態監測應用，全面獲取了河道內圈圩、文體旅游、臨河房屋、碼頭、光伏電廠等監測對象本底信息，動態跟蹤發現了水事活動的新增和整改清除等變化情況，實現水政執法問題變化高效監管、動態更新，有效解決傳統水政執法發現問題不及時、監管成本高、持續跟蹤難度大等問題，為沂沭泗河道水政執法提供了有力支撐，取得了良好應用效果。在將來的水政執法遙感監測應用中，需進一步加強多源衛星遙感數據和無人機技術綜合應用，提高監測頻次，及時發現問題，強化人工智能等先進計算機識別技術在監測對象信息提取中的應用，提升動態監測的智能化水平。